fiz_osnovy_elektroniki_КЛ
.pdf10.8. Жидкие кристаллы
Особый класс электрооптических материалов представляют жидкие кристаллы. Жидкокристаллическое состояние вещества было открыто в 1888 г., но применять жидкие кристаллы стали лишь относительно недавно.
Жидкие кристаллы – это вещества, которые находятся в промежуточном состоянии между твердым кристаллом и жидкостью и обладают свойствами, характерными как для кристаллов (анизотропия), так и для жидкостей (текучесть). Жидкокристаллическое состояние существует лишь в определенном интервале температур между твердокристаллическим и изотропным жидким. При понижении температуры жидкий кристалл переходит в твердый (точка плавления), а при повышении – в изотропную жидкость. Жидкокристаллическую фазу иногда называют мезофазой, т. е. промежуточной фазой, а жидкокристаллическое состояние вещества – мезоморфным.
Жидкие кристаллы образуются органическими соединениями, молекулы которых обычно имеют удлиненную, плоскообразную форму. Многие из них содержат бензольные кольца в молекулярной цепи. Например, молекула p-метоксибензилинен – p -n-бутиланилина (МББА), интервал температур мезофазы которого составляет 22–48 C, имеет вид
По структуре жидкие кристаллы подразделяют на три класса: нематические, смектические и холестерические.
Внематических кристаллах удлиненные молекулы выстроены в виде нитей, как показано на рис. 10.16 а (слово «немос» по-гречески означает нить). Направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью кристалла.
Всмектических жидких кристаллах параллельно ориентированные молекулы упакованы в слои (рис. 10.16б) и таким образом имеют большую степень упорядочения. Если одно и то же вещество может находиться в обеих жидкокристаллических модификациях, то смектическая фаза расположена по температуре ближе к твердой фазе, чем нематическая. Например, в n-гептилоксибензойной кислоте происходят следующие фазовые превращения с повышением температуры:
твердый 92 C |
смектический |
98 C |
нематический |
146 C изотропная |
|
жидкий |
жидкий |
||||
кристалл |
|
жидкость |
|||
кристалл |
|
кристалл |
|||
|
|
|
151
Слоистая упаковка молекул создает анизотропию не только оптических, но и механических свойств, поскольку слои легко смещаются относительно друг друга. Слово “смектос” по-гречески – мыло; к этим кристаллам относятся мыльные растворы.
В холестерических жидких кристаллах пластинчатые молекулы также укладываются в слои, но ориентировка их плавно меняется от слоя к слою, так как молекулы выстраиваются по пространственной спирали (рис. 10.16 в). К этому классу относятся в основном соединения холестерина.
Ориентационный порядок в расположении молекул приводит к анизотропии свойств жидких кристаллов: показатель преломления, диэлектрическая и магнитная проницаемости, удельное сопротивление, вязкость и другие параметры в направлении, параллельном молекулярным осям, и в перпендикулярной плоскости неодинаковы (рис. 10.17).
Рис. 10.16. Структура жидких кристаллов:
а) нематических; б) смектических; в) холестерических
Рис. 10.17. Температурная зависимость показателей преломления параазоксианизола в направлении, параллельном (n0)
и перпендикулярном (nе) молекулярным осям
152
Свойства жидких кристаллов сходны со свойствами сегнетоэлектриков. Как и сегнетоэлектрики, жидкие кристаллы разбиты на домены – области с одинаковыми направлениями осей молекул. В переменном электрическом поле для некоторых из них характерны петли гистерезиса с ярко выраженным насыщением. В точках фазового перехода диэлектрическая проницаемость имеет максимум , исчезающий с повышением частоты как у дипольных сегнетоэлектриков. Однако время переориентации диполей в жидких кристаллах велико по сравнению с сегнетоэлектриками, и петля гистерезиса, и максимум наблюдаются лишь на очень низких частотах (< 1 Гц).
Структура жидких кристаллов очень подвижна и легко изменяется при внешних воздействиях: электрического и магнитного полей, температуры, давления и т. д. Изменение структуры в свою очередь приводит к изменениям оптических, электрических и других свойств. Поэтому можно управлять свойствами жидких кристаллов путем очень слабых внешних воздействий, т. е. использовать их в качестве чувствительных индикаторов этих воздействий. На практике используют изменение оптических свойств при внешних воздействиях электрическим полем в нематических кристаллах и тепловым – в холестерических.
Жидкие кристаллы нематического типа применяют благодаря при-
сущему им электрооптическому эффекту динамического рассеяния.
Слабое электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, вызывает выстраивание молекул осями с высокой параллельно полю. Однако если напряжение превысит некоторое пороговое значение, устойчивая доменная структура разрушается, возникает ячеистая структура, сопровождающаяся появлением гидродинамических течений. При дальнейшем увеличении напряжения течение в жидкости становится турбулентным, а вещество оптически неоднородным. Поле может быть как постоянным, так и переменным с низкой частотой (до 0,01 10 кГц в зависимости от материала). Время установления состояния динамического рассеяния составляет 1 10 мс, а исчезновения после снятия напряжения – 20 200 мс. Быстродействие индивидуальных жидкокристаллических соединений выше, чем смесей; оно повышается с увеличением напряжения.
153
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................... |
1 |
1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ТВЁРДЫХ ТЕЛ.................................................... |
4 |
1.1. СИЛЫ СВЯЗИ ВНУТРЕННЯЯ СТРУКТУРА ТВЁРДЫХ ТЕЛ ......................... |
4 |
1.2. СИЛЫ ОТТАЛКИВАНИЯ........................................................................ |
13 |
2. НЕКОТОРЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГЕОМЕТРИИ КРИСТАЛЛОВ .............. |
15 |
2.1. ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА............. |
15 |
2.2. ТИПИЧНЫЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ РЕШЕТКИ.......................................... |
16 |
2.3. НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ |
|
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ КУБИЧЕСКИХ СТРУКТУР........................................... |
17 |
2.4. ИНДЕКСЫ УЗЛОВ, НАПРАВЛЕНИЙ, ПЛОСКОСТЕЙ................................ |
18 |
2.5. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕШЕТОК ............................................................... |
20 |
3. НЕСОВЕРШЕНСТВА В КРИСТАЛЛАХ.............................................. |
21 |
3.1. ТЕПЛОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ ...................................................................... |
21 |
3.2. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКИ............................................ |
31 |
3.3. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ДЛЯ ВСЕХ ВИДОВ ДЕФЕКТОВ ................................ |
32 |
4. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЁРДОГО ТЕЛА |
|
(ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ В ТВЁРДЫХ ТЕЛАХ) .................... |
33 |
4.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О СОСТОЯНИИ ЭЛЕКТРОНОВ |
|
В СВОБОДНЫХ АТОМАХ....................................................................... |
33 |
4.2. ОБОБЩЕСТВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В КРИСТАЛЛЕ ................................. |
35 |
4.3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ЭЛЕКТРОНОВ В КРИСТАЛЛЕ |
|
(ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ) ................................................................... |
36 |
4.4. ЗАВИСИМОСТЬ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОНА ОТ ВОЛНОВОГО ВЕКТОРА......... |
38 |
4.5. ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА ЭЛЕКТРОНА |
|
И ЕЁ ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ВОЛНОВОГО ВЕКТОРА .................................... |
42 |
4.6. НЕОБХОДИМОЕ И ДОСТАТОЧНОЕ УСЛОВИЕ |
|
ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ............................................................... |
46 |
4.7. ПОВЕРХНОСТЬ ФЕРМИ. ЧИСЛО СОСТОЯНИЙ ...................................... |
48 |
4.8. ПЛОТНОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ ........................................... |
50 |
4.9. ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ.......................................................................... |
52 |
5. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ ........................ |
54 |
5.1. СОБСТВЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ (ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ)............... |
54 |
5.2. ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ (ДОНОРНЫЕ И АКЦЕПТОРНЫЕ)....... |
55 |
5.3. ПОЛОЖЕНИЕ УРОВНЯ ФЕРМИ |
|
И КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ...................... |
57 |
5.4. НЕРАВНОВЕСНЫЕ НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА ................................................ |
59 |
5.5. СОБСТВЕННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ........................ |
60 |
5.6. ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ........................... |
62 |
5.7. ОТСТУПЛЕНИЕ ОТ ЗАКОНА ОМА ......................................................... |
63 |
5.8. ЭФФЕКТ ГАННА .................................................................................. |
64 |
154
5.9. ЭФФЕКТ ХОЛЛА .................................................................................. |
65 |
5.10. ФОТОПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ .................................... |
66 |
6. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ........................................ |
67 |
6.1. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ................................ |
67 |
6.2. ЯВЛЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ ....................................................... |
69 |
6.3. ПОНЯТИЕ О КРИОЭЛЕКТРОНИКЕ ......................................................... |
74 |
7. КОНТАКТНЫЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ............................ |
75 |
7.1. РАБОТА ВЫХОДА ................................................................................. |
75 |
7.2. ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ ......................................................... |
77 |
7.3. КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ ............................................ |
79 |
7.4. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД |
|
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ P-N ПЕРЕХОДА ................................................. |
80 |
7.5. РАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ P-N ПЕРЕХОДА ........................................ |
81 |
7.6. ВЫПРЯМЛЯЮЩИЕ СВОЙСТВА P-N ПЕРЕХОДА ..................................... |
85 |
7.7. ПОВЕРХНОСТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ........................................................... |
90 |
7.8. ПРИПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА ............................. |
92 |
7.9. ЭФФЕКТ ПОЛЯ. МДП-СТРУКТУРЫ ...................................................... |
95 |
7.10. ТЕРМОЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА.................................................... |
96 |
8. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ..................................... |
101 |
8.1. ПРИРОДА ДИА- И ПАРАМАГНЕТИЗМА ............................................... |
101 |
8.2. ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА.......................................................... |
107 |
8.3. АНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМ И ФЕРРИМАГНЕТИЗМ ................................. |
109 |
8.4. МАГНИТОСТРИКЦИЯ ......................................................................... |
111 |
9. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ ............................... |
112 |
9.1. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ ........................................................ |
112 |
9.2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ............................................. |
114 |
9.3. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ .......................................... |
115 |
9.4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ ............................................................. |
119 |
9.5. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ ................................................................... |
128 |
10. АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ ........................................................... |
132 |
10.1. СПОНТАННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ. |
|
КЛАССИФИКАЦИЯ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ....................................... |
132 |
10.2. ПАРАЭЛЕКТРИКИ ............................................................................ |
137 |
10.3. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТЫ .......... |
138 |
10.4. ПРИНЦИПЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ......................................... |
140 |
10.5. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ......................................................................... |
143 |
10.6. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ...................................................... |
144 |
10.7. ЭЛЕКТРЕТЫ ..................................................................................... |
148 |
10.8. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ ..................................................................... |
151 |
155
Учебное издание
Гудаков Геннадий Александрович
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Курс лекций
Редактор Л.И. Александрова Корректор Л.З. Анипко
Компьютерная верстка С.Ю. Заворотной
Лицензия на издательскую деятельность ИД № 03816 от 22.01.2001
Подписано в печать ..2003. Формат 60 84/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. .
Уч.-изд. л. ???. Тираж * экз. Заказ
________________________________________________________
Издательство Владивостокского государственного университета экономики и сервиса
690600, Владивосток, ул. Гоголя, 41 Отпечатано в типографии ВГУЭС 690600, Владивосток, ул. Державина, 57
156
157